近年来, PM_2.5已成为城市环境空气质量的首要污染物^[1~3], 其对人类身体健康、大气能见度和局部气候环境造成显著影响^[4~8].随着我国环境保护力度的不断加大, 推进了燃烧源烟气超低排放的改造.燃煤电厂超低排放烟气治理技术普遍采用低氮燃烧(low NO_x combustion technology, LNB)与SCR脱硝、布袋除尘(fiber filter, FF)和静电除尘(electrostatic precipitator, ESP)、石灰石-石膏湿法脱硫(wet flue gas desulphurization, WFGD)与湿式电除尘器(wet electrostatic precipitator, WESP)工艺^[9], 工业锅炉也有采用湿法氧化脱销^[10], 以控制颗粒物、SO₂和NO_x的排放.

超低排放燃煤锅炉高湿废气中含有大量体积极小的气态有机或无机物质, 排出烟道后, 经过环境空气降温和稀释后会直接冷凝或者反应生成大量液态或固态颗粒物, 即CPM^[11~13].CPM是环境空气中PM_2.5和气溶胶物质的重要前体物, 也是特定气象条件下雾-霾形成和暴发的重要原因^{[13, 14]}.国内外学者从不同角度分析研究了燃烧源CPM的排放水平及其化学组成与来源^{[7, 11, 13, 15~17]}, 研究多集中于某一种或某一类燃烧源, 主要验证相关采样方法测定CPM的排放水平, 缺乏针对不同类型燃烧源CPM的排放水平及其化学组成较全面系统的对比分析.

本研究以自行研发建立的基于源环境的超低排放高湿废气中TPM的直接冷凝采样系统及其监测方法^{[18, 19]}, 应用于北京市超低排放典型燃烧源高湿废气中TPM的排放监测采样.分别采用重量法测定FPM和CPM的排放浓度, 采用离子色谱法测定颗粒物样品中的9种水溶性离子排放浓度.分析和评估了超低排放典型燃烧源烟气中颗粒物及其水溶性离子的排放水平与组成特征, 探究了FPM和CPM及其水溶性离子的相互转化及影响因素.通过全面和准确评估燃烧源颗粒物及其水溶性离子的排放水平与分布, 以期为相关环境保护管理部门大气污染防治措施效果评估与环境管理决策提供技术支撑和数据基础.

表 1所示为本研究现场测试的典型燃烧源基本信息及其烟气组分或参数, 包括北京市1台燃煤电厂锅炉、1台供暖燃煤锅炉和1台燃气电厂燃气轮机组, 其中燃煤电厂开展了2次监测.燃煤锅炉烟气均采用了SCR +FF+ WFGD净化工艺, 电厂燃煤锅炉还采用了LNB+ ESP净化工艺.燃气电厂由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机和发电机组等相关设备组成的燃气-蒸汽联合循环发电机组, 并采用LNB+SCR净化工艺.

表 1 (Table 1)

表 1 测试锅炉污染防治设施及其运行参数信息1) Table 1 Information form on the operational parameters and pollution control facilities of the tested boilers1) 测试对象 类型/型号 蒸发量/t·h-1 污染防治设施 负荷/% SO2/mg·m-3 NOx/mg·m-3 O2/% Xsw/% 烟温/℃ 燃煤电厂 HG670/140-13 670 LNB+SCR+ESP+ 90* ＜3* 41* 6.8* 8.7~10.5* 88* FF+WFGD 95** ＜3** 59** 6.7** 11.2~11.4** 89** 供暖锅炉 QXL70-1.6/130/70-AⅡ 100 SCR +FF+WFGD 70 ＜3 20 7.8 5.7~10.6 47 燃气电厂 燃气轮机组/M701F4+余热锅炉DG303.9/13.58/68.2/3.73/44.2/0.68-M105 418 LNB+SCR 95 ＜3 17 13.9 7.8~10.8 90 1)*表示燃煤电厂第一次监测结果; **表示燃煤电厂第二次监测结果

表 1 测试锅炉污染防治设施及其运行参数信息1) Table 1 Information form on the operational parameters and pollution control facilities of the tested boilers1)

图 1所示为固定源超低排放高湿废气中TPM的监测采样系统示意.采样系统通过连接管线依次连接组合加热采样枪、烟气冷凝器、烟气缓冲器、CPM-F滤膜夹、烟气干燥器、流量传感器和抽气装置, 并通过流量自动跟踪调节装置跟踪和调节抽气流量以实现颗粒物的等速采样.

图 1

Fig. 1

1.FPM滤膜夹; 2.加热采样枪; 3.热电偶温度计; 4.CPM-F滤膜夹; 5.烟气干燥器; 6.流量传感器; 7.流量自动跟踪调节装置; 8.抽气装置; 9.S型皮托管平行测速装置; 10.烟气冷凝器; 11.冷凝水收集瓶; 12.循环水制冷与动力控制系统; 13.烟气缓冲器; 14.采样头; 15.FPM滤膜; 16.不锈钢托网; 17.密封铝圈 图 1 固定源超低排放高湿废气中TPM的监测采样系统示意 Fig. 1 Flow chart of the sampling system of TPM in ultra-low-emission and high-humidity fumes of a fixed burning source

采样系统按照颗粒物等速采样原理, 将含尘烟气在抽气泵的作用下在烟道内通过FPM滤膜捕集FPM; 透过FPM滤膜后的烟气经过加热至120℃的采样枪后, 进入烟气冷凝器快速冷却至20~30℃, 烟气中的无机或有机蒸汽通过直接冷凝或凝聚、碰并反应生成的大量微细颗粒物再被CPM-F滤膜捕集, 即可过滤的可凝聚颗粒物(filterable condensable particulate matter, CPM-F), 最后烟气经干燥器后由抽气泵排出.烟气冷凝过程中产生的冷凝水用收集瓶收集, 冷凝水中的溶解性总固体即为可溶性的可凝聚颗粒物(dissolved condensable particulate matter, CPM-D).

烟气温度快速冷却至接近于环境温度(20~30℃)时, 废气中CPM表现为CPM-F与CPM-D, 因此, FPM和CPM-F与CPM-D构成了固定污染源废气中排放的一次颗粒物总量.根据采集到的颗粒物或污染物的质量和所抽取的标干气体量, 可计算出固定源排气中颗粒物或污染物的排放浓度.

本研究采用如图 1(b)所示的封装一体的FPM采样头, 即将采样嘴、前弯管和FPM滤膜夹上盖整体构造一体^{[19, 20]}, 且其总质量不超过20 g, 以克服因滤筒装卸引起的滤筒破损与碎屑损失以及避免对采样过程中沉积在采样嘴及采样头前弯管的细颗粒物回收误差等相关因素对低浓度颗粒物(FPM)监测的影响.

以图 1(a)所示的监测采样系统进行采样, 各个源采样3~6组, 每组样品采样时间60~90 min, 采样流量控制在15~30 L·min^-1, 使烟气通过冷凝器和缓冲器的停留时间达4~8 s, 以确保CPM有足够的反应生成时间.采样期间同时用德图公司Testo350烟气分析仪监测烟温、烟气含氧量及烟气中气态污染物浓度.每次采样后用超纯水润洗烟气冷凝器管路并单独收集.

现场采集的每组样品包括封装一体FPM采样头、CPM-F滤膜、收集的冷凝水和超纯水润洗液.

采样后封装一体FPM采样头外表面用蘸有丙酮的脱脂棉于通风橱内擦拭清洗后, 再与CPM-F滤膜样品置于干燥器中平衡24 h后称量至恒重, 并根据其增重和烟气采气体积分别计算出FPM和CPM-F的排放浓度.

称重后的FPM滤膜、CPM-F滤膜分别剪碎后放入超纯水中超声提取30 min.FPM采样头内表面用超纯水荡洗后并入FPM滤膜提取液中.经超声提取后的水溶液分别用0.45 μm微孔滤膜过滤后定容至50 mL, 用于分析水溶液中的离子组分.

收集到的冷凝水称重后与超纯水润洗液合并定容至100 mL.量取50 mL用于分析水溶液中的离子组分, 余下的50 mL水溶液置于105℃烘箱内蒸至近干(体积不少于10 mL)后, 置于通风橱中风干, 再将残留物置于干燥器中平衡24 h后称量至恒重.根据冷凝水中溶解性总固体的质量和烟气采气体积计算出CPM-D的排放浓度.

采样使用的滤膜为直径47 mm的进口石英膜(Whatman：1851047); 分析用的超纯水为电导率 < 0.5 μS·cm^-1并经0.45 μm微孔滤膜过滤后的二次去离子水; 称重使用的分析天平为瑞士梅特勒公司的XP205型十万分之一分析天平.

离子分析使用美国Dionex公司的Dionex-ICS-2000和Dionex-ICS-3000, 分别分析水溶性阳离子和水溶性阴离子, 离子组分包括K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、NH₄⁺、SO₄^2-、Cl^-、NO₃^-和F^-等9种.

用于采样和分析的采样头、冷凝水收集瓶、烧杯、烟气冷凝器等采样前应进行清洗, 风干或烘干后使用.经检查无针孔或缺陷的滤膜, 使用前需置于300℃马弗炉内烘烤1 h后备用.

采样系统经气密性检查合格后方可开始采样.空白滤膜和空白超纯水需进行相同的处理和分析过程, 并分别对采样膜和冷凝水样品的质量和离子组分进行校核.

(1) 固定源排气中颗粒物或污染物排放浓度的计算公式为：

(1)

式中, ρ_i为标准状态下颗粒物或污染物的实测排放浓度, mg·m^-3; G′_i为颗粒物或污染物的质量, g; V_nd为标准状态下干采气体积, L.

(2) 固定源排气中颗粒物或污染物的基准氧含量排放浓度计算公式为：

(2)

式中, ρ′_i为标准状态下颗粒物或污染物的基准氧含量排放浓度, mg·m^-3; φ′(O₂)和φ(O₂)分别为实测氧含量(体积分数)与基准氧含量, %.

图 2所示为超低排放典型燃烧源烟气中颗粒物的排放浓度.从中可见, 燃煤电厂烟气中TPM两次平均实测排放浓度的结果分别为(8.23±3.36)mg·m^-3和(7.69±1.68)mg·m^-3; 平均基准排放浓度分别为(8.69±3.55)mg·m^-3和(8.01±1.76)mg·m^-3, 监测结果表明：北京市燃煤电厂烟气中TPM的排放满足国家超低排放标准颗粒物浓度限值(10mg·m^-3)^[9]要求, 但超过了北京市地方排放标准颗粒物浓度限值(5mg·m^-3)^[21]要求.而FPM的2次监测平均实测排放浓度分别为(0.98±0.17)mg·m^-3和(1.06±0.53)mg·m^-3; 平均基准排放浓度分别为(1.04±0.18)mg·m^-3和(1.11±0.56)mg·m^-3, 监测结果均满足国家超低排放标准^[9]和北京市地方排放标准^[21]颗粒物浓度限值要求.我国现行污染物排放标准颗粒物指标专指FPM, 而忽视了粒径极小、数量极大及特定气象条件下雾-霾暴发成因的CPM, 可见超低排放燃烧源显著低估颗粒物的实际排放水平.结合表 1发现, 燃煤电厂第2次监测期间锅炉负荷略有增加, NO_x的排放水平却增加了近30%, 但颗粒物排放水平基本相当.可见满足超低排放改造要求的燃煤电厂, 随着锅炉负荷升高, 燃烧烟气经超低排放烟气净化系统后, 颗粒物的排放水平无显著变化, 而NO_x的排放水平明显增加.

图 2

Fig. 2

图 2 超低排放锅炉排气中颗粒物排放浓度 Fig. 2 Emission concentration of particulate matter in ultra-low-emission boiler flue gas

从图 2还看出, 燃煤供暖锅炉烟气中FPM平均实测排放浓度和平均基准排放浓度分别为(1.15±0.08)mg·m^-3和(1.05±0.07)mg·m^-3, TPM平均实测排放浓度和平均基准排放浓度分别为(4.20±1.30)mg·m^-3和(3.82±1.17)mg·m^-3, FPM和TPM排放浓度均满足国家超低排放标准^[9]和北京市地方排放标准^[21]颗粒物浓度限值要求.燃气电厂烟气中FPM平均实测排放浓度和平均基准排放浓度分别为(0.14±0.09)mg·m^-3和(0.12±0.08)mg·m^-3, TPM平均实测排放浓度和平均基准排放浓度分别为(1.99±0.79)mg·m^-3和(1.68±0.67)mg·m^-3, FPM和TPM排放浓度均显著低于国家超低排放标准^[8]和北京市地方排放标准^[21]颗粒物浓度限值要求.研究发现, 燃煤电厂FPM排放水平是燃气电厂的7.1~7.7倍, CPM排放水平是燃气电厂的3.6~3.9倍; 而供暖燃煤锅炉FPM的排放水平是燃气电厂FPM排放水平的8.4倍; CPM的排放水平是燃气电厂CPM排放水平的1.6倍.与燃气电厂使用清洁能源天然气密切相关.

本研究表明, 超低排放锅炉烟气TPM排放浓度表现为：燃煤电厂＞燃煤供暖锅炉＞燃气电厂.超低排放燃煤电厂和燃煤供暖锅炉烟气净化工艺差别不大, 其FPM排放浓度没有明显差异, 而燃煤电厂CPM排放浓度是燃煤供暖锅炉CPM排放浓度的2.4倍和2.2倍.结合表 1发现, 燃煤供暖锅炉实际运行负荷及烟温显著低于燃煤电厂锅炉, 可能由于燃煤电厂烟气排放量及烟气流速明显高于燃煤供暖锅炉, 烟气净化设施除尘及脱水效率降低, 以及高烟气温度CPM组分更多向气态转化而不易凝聚^{[7, 13, 15]}.

图 3所示为超低排放典型燃烧源烟气中颗粒物的排放浓度特征.从中看出, 超低排放锅炉烟气CPM-F排放浓度均较低, 介于0.02~0.16mg·m^-3之间, 燃煤锅炉CPM-F在TPM中的占比为1.1%~3.9%, 燃气电厂CPM-F在TPM中的占比为6.3%, 与文献[13, 18]的研究结论基本一致.在超低排放锅炉烟气中TPM的主要存在形态为FPM和CPM-D, 其中燃煤锅炉FPM占TPM的比例为11.9%~27.4%, 而燃气电厂FPM占TPM的比例较低, 为6.9%; CPM-D对TPM的贡献较显著, 燃煤锅炉CPM-D对TPM的贡献为68.7%~86.9%, 燃气电厂CPM-D对TPM的贡献为86.8%.

图 3

Fig. 3

图 3 超低排放锅炉排气中颗粒物组成特征 Fig. 3 Composition characteristics of particulate matter in ultra-low-emission boiler flue gas

本研究表明CPM是超低排放锅炉烟气中颗粒物的重要组成特征, 在超低排放锅炉烟气中CPM对TPM的质量贡献明显, 燃煤锅炉为72.6%~88.1%, 燃气电厂为93.1%, 且CPM在TPM中的质量占比表现为：燃气电厂＞燃煤电厂＞燃煤供暖锅炉.结合表 1发现, 燃煤供暖锅炉烟气温度显著低于燃煤电厂和燃气电厂, 烟气排放温度对颗粒物在FPM与CPM中的分配比例有显著影响, CPM的质量比随烟温的升高显著增加, 这与文献[7, 13, 15, 22]的研究结论一致.

图 4所示为超低排放典型燃烧源烟气颗粒物中总水溶性离子的排放浓度及分布.从中看出, 燃煤电厂烟气FPM中总水溶性离子平均排放浓度2次结果分别为0.52mg·m^-3和0.68mg·m^-3, CPM中总水溶性离子平均排放浓度分别为2.88mg·m^-3和3.59mg·m^-3, 总水溶性离子在FPM和CPM中的质量分配比例分别为15.2∶84.8和16.0∶84.0.燃煤供暖锅炉烟气FPM中总水溶性离子平均排放浓度为0.67mg·m^-3; CPM中总水溶性离子平均排放浓度为1.30mg·m^-3, 总水溶性离子在FPM和CPM中的质量分配比例为33.9∶66.1.而燃气电厂排气FPM中总水溶性离子平均排放浓度为0.08mg·m^-3, CPM中总水溶性离子平均排放浓度为1.36mg·m^-3, 总水溶性离子在FPM和CPM中的质量分配比例为5.8∶94.2.

图 4

Fig. 4

图 4 超低排放锅炉烟气颗粒物中总水溶性离子排放浓度及分布 Fig. 4 Concentration and distribution of total water-soluble ions in particulate matter in the fumes of the ultra-low-emission boiler

本研究表明, 超低排放锅炉烟气TPM中总水溶性离子的排放水平表现为：燃煤电厂＞燃煤供暖锅炉＞燃气电厂, 与TPM的排放水平趋势一致.但CPM中总水溶性离子的排放水平表现为：燃煤电厂＞燃气电厂＞燃煤供暖锅炉, 而燃煤供暖锅炉CPM排放水平明显高于燃气电厂.

结合表 1和图 4发现, 水溶性离子在FPM和CPM中的分配比例与颗粒物在FPM与CPM中的分配趋势一致.文献[7, 13]的研究表明：水溶性离子随着烟气排放温度的降低由气态明显向颗粒物凝聚而被FPM滤膜捕集, 使水溶性离子在FPM中的分配比例明显上升; 燃煤供暖锅炉排气温度显著低于燃煤电厂和燃气电厂, 从而显著降低了燃煤供暖锅炉烟气中水溶性离子在CPM中的质量占比, 进而显著影响颗粒物在CPM与FPM中的分配.可见, 排气烟温降低, 有利于促进水溶性离子和CPM凝聚成较大粒径颗粒物, 进而在一定条件下被烟气净化设施脱除, 这可能是导致燃煤供暖锅炉FPM排放水平与燃煤电厂相当, 而CPM及总水溶性离子的排放水平显著低于燃煤电厂的主要原因.

图 5所示为超低排放典型燃烧源烟气颗粒物中总水溶性离子的质量贡献.从中可知, 燃煤电厂烟气中总水溶性离子在FPM中的质量占比2次结果分别为52.7%和64.5%, 在CPM中的质量贡献分别为39.8%和54.2%, 在TPM中的质量贡献分别为41.3%和55.6%.燃煤供暖锅炉烟气中总水溶性离子在FPM、CPM和TPM中的质量贡献分别为58.0%、42.7%和46.9%.而燃气电厂排气中总水溶性离子在FPM、CPM和TPM中的质量占比分别为60.3%、73.1%和72.2%.

图 5

Fig. 5

图 5 超低排放锅炉排气颗粒物中总水溶性离子贡献 Fig. 5 Contribution of total water-soluble ions to particulate matter in fumes of the ultra-low-emission boiler

可见, 超低排放燃煤锅炉烟气排放中总水溶性离子对FPM的质量贡献介于52.7%~64.5%之间, 与燃气电厂排气中水溶性离子对FPM的质量贡献基本相当; 但燃气电厂排气中水溶性离子对CPM和TPM的质量贡献比例显著高于超低排放燃煤锅炉, 这与燃气电厂使用清洁燃料天然气有关, 其烟气中颗粒物的成分主要为水溶性离子组分.

图 6所示为超低排放典型燃烧源烟气颗粒物中各水溶性离子组分的排放浓度及其分布.从图 6(a)和6(b)看出, 超低排放燃煤电厂烟气颗粒物中F^-和SO₄^2-是主要的水溶性离子, 其排放浓度显著高于其他水溶性离子, F^-两次平均排放质量浓度的结果分别为1.91 mg·m^-3和2.32 mg·m^-3, 且主要分布于CPM中, 其在CPM中的质量分布比例分别为87.0%和99.2%; SO₄^2-两次平均排放质量浓度的结果分别为1.10 mg·m^-3和1.18 mg·m^-3, 其在CPM中的质量分布比例分别为64.3%和87.8%.其次是Cl^-, 其两次排放浓度的结果分别为0.17 mg·m^-3和0.27 mg·m^-3, 在CPM中的质量分布比例分别为87.0%和99.2%.其他水溶性离子组分排放水平均低于0.20 mg·m^-3.

图 6

Fig. 6

图 6 超低排放锅炉排气颗粒物中水溶性离子组分排放浓度及其分布 Fig. 6 Concentration and distribution of water-soluble ions in fumes of the ultra-low-emission boilers

从图 6(c)可知, 燃煤供暖锅炉烟气颗粒物中SO₄^2-的排放水平显著高于其他水溶性离子, 其平均排放浓度为0.98 mg·m^-3, 主要分布于CPM中, 其在CPM中的质量分布比例为74.0%.其次是NH₄⁺、NO₃^-、Na⁺和Cl^-, 其平均排放浓度分别为0.27、0.26、0.21和0.19 mg·m^-3, 在CPM中的质量分布比例分别为67.6%、62.0%、82.8%和15.5%.

从图 6(d)可知, 燃气电厂颗粒物中NH₄⁺和SO₄^2-是主要的水溶性离子, 其平均排放浓度分别为0.92和0.41 mg·m^-3, 这2种水溶性离子在CPM中的质量分布比例分别为98.8%和91.4%.

有研究发现燃煤供暖锅炉排气颗粒物中SO₄^2-的排放水平与燃煤电厂相当, 且均为颗粒物中主要水溶性离子.燃煤电厂颗粒物中F^-排放水平显著高于燃煤供暖锅炉, 是燃煤供暖锅炉排放水平的98~120倍, 并主要存在于CPM中, 可能与测试的燃煤电厂所用燃料煤中氟化物的较高含量有关; 但燃煤供暖锅炉排气中F^-排放水平与有关文献燃煤电厂WFGD出口相当^[17].

图 6还看出, 燃气电厂NH₄⁺的排放水平显著高于超低排放燃煤锅炉.锅炉烟气中NH₃主要来源于SCR系统的逃逸^{[22, 23]}, SCR催化剂能将SO₂氧化为SO₃^{[15, 24, 25]}, 从SCR逃逸的SO₃和NH₃在水分参与的条件下会生成(NH₄)₂SO₄和(NH₄)HSO₄^[26], 进而在颗粒物表面凝结或溶解于小液滴中, 且WFGD对逃逸的NH₃有较好的脱除效果^{[17, 27]}.研究测试的燃气电厂采用LNB+SCR脱硝, 再经余热锅炉热回收后排放, 排气烟温较高, 使SCR逃逸的NH₃及其与燃烧烟气中的酸性气体及水分反应生产的NH₄⁺不易冷凝去除, 故烟气中NH₄⁺排放水平较高.而燃煤电厂和燃煤供暖锅炉烟气均在SCR脱硝后, 经过WFGD净化工艺, 可进一步降低SCR逃逸的NH₃排放.燃煤供暖锅炉NH₄⁺排放水平明显高于燃煤电厂, 结合表 1发现, 燃煤供暖锅炉排气烟温显著低于燃煤电厂, 可能燃煤电厂高温烟气中气态NH₃或NH₄⁺在冷凝采样过程中不易被水汽冷凝吸收.

图 7所示为超低排放典型燃烧源烟气中水溶性离子组分的组成特征.从图 6(a)、6(b)和图 7(a)、7(b)中看出, 燃煤电厂烟气中F^-和SO₄^2-的排放量占水溶性离子排放总量的质量分数, 2次结果分别为56.1%、32.4%和54.4%、27.7%, 且这2种水溶性离子之和占水溶性离子总量的82.0%~88.5%, 占TPM排放量的36.6%~45.6%.可见超低排放燃煤电厂排放的水溶性离子主要特征组分为F^-和SO₄^2-.

图 7

Fig. 7

图 7 超低排放锅炉烟气中水溶性离子的组成特征 Fig. 7 Mass proportions of water-soluble ions in fumes of the ultra-low-emission boilers

从图 6(c)和图 7(c)看出, 超低排放燃煤供暖锅炉烟气中SO₄^2-的排放水平占水溶性离子排放总量的49.6%; 其次是NH₄⁺和NO₃^-, 占水溶性离子排放总量的质量分数分别为13.5%和13.2%; 另外Na⁺和Cl^-排放量占水溶性离子总量的质量分数分别为10.7%和9.6%.因此超低排放燃煤供暖锅炉排放的水溶性离子主要特征组分为SO₄^2-.

从图 6(d)和图 7(d)看出, 燃气电厂排气中NH₄⁺和SO₄^2-的排放水平占水溶性离子排放总量的质量分数分别为64.2%和28.4%, 为水溶性离子的主要特征组分.

文献[7, 13, 15~16, 24]均指出SO₄^2-是燃煤锅炉颗粒物中尤其是CPM中主要特征水溶性离子, 这与本研究结论一致.

表 2为国内外学者对典型燃烧源烟气中FPM和CPM排放水平及其特征的研究成果.文献[13]以基于EPA Method 202^[12]原理自建采样系统, 对2台燃煤供暖锅炉和1台工业燃煤锅炉烟气颗粒物排放进行监测, FPM排放浓度分别为36.4、10.5和29.3mg·m^-3, CPM的排放浓度分别为14.7、18.7和7.5mg·m^-3, CPM占TPM的比重分别为28.8%、64.1%和20.4%.裴冰^[24]基于EPA Method 202^[12]原理自主构建的采样装置, 对燃煤电厂A、B、C进行了监测, FPM排放浓度分别为12.1、33.4和16.2mg·m^-3, CPM的排放浓度分别为17.2、23.6和22.8mg·m^-3, CPM占TPM的比重分别为58.7%、41.4%和58.5%.Yang等^[15]利用EPA Method 201/201A与202结合的采样方法, 对某燃煤锅炉分级采样, FPM_2.5和CPM的排放浓度分别为16.9 mg·m^-3和29.3mg·m^-3, CPM占TPM_2.5的比重为63.35%.相关研究的燃煤锅炉烟气净化工艺均未达到国家超低排放标准颗粒物限值要求, FPM和CPM排放水平远高于本研究结果, 但CPM在TPM中的比重显著低于本研究结果.

表 2 (Table 2)

表 2 国内外燃烧源颗粒物排放特征1) Table 2 Emission characteristics of particulate matter from combustion sources at home and abroad 测试对象 机组容量/MW 污染防治设施 负荷/% FPM/mg·m-3 CPM/mg·m-3 CPM/TPM/% 文献 燃煤供热厂1 28 湿法脱硫除尘一体净化工艺 78 36.35 14.73 28.84 [13] 燃煤供热厂2 64 EF+WFGD 85 10.48 18.74 64.13 [13] 燃煤工业锅炉 14 湿法脱硫除尘一体净化工艺 80 29.29 7.49 20.36 [13] 燃煤电厂 / ESP+FGD / 0.75* 2.15 74.13** [15] 燃煤锅炉 / 旋风除尘(Cyclone)+FF / 16.9* 29.3 63.35** [15] 燃煤电厂 / SCR+ESP+WFGD+WESP / 1.6 7.9 83.16 [16] 燃煤电厂 300 SCR+ESP+WFGD+WESP 100 2.12 5.53 72.29 [17] 燃气电厂 300 LNB+SCR 85 0.10 2.71 97.0 [18] 燃煤电厂A 300 EF+WFGD 100 12.1 17.2 58.7 [24] 燃煤电厂B 325 ESP+WFGD 95.5 33.4 23.6 41.4 [24] 燃煤电厂C 100 SCR+ESP+WFGD 96.3 16.2 22.8 58.5 [24] 燃煤锅炉 / / / / / 76# [28] 燃气轮机 / / / / / 88/90#* [28] 燃煤电厂 469 LNB+SCR+FF+ESP+WFGD 90/95## 0.98/1.06## 7.25/6.63## 88.1/86.2## 本研究 燃煤锅炉 70 SCR+FF+WFGD 78 1.15 3.05 72.6 本研究 燃气电厂 293 LNB+SCR 95 0.14 1.85 93.1 本研究 1)*表示FPM2.5结果; **表示CPM/TPM2.5结果; #表示18台燃煤锅炉CPM/TPM10平均结果; #*表示分别为2台的CPM/TPM10结果; ##表示分别为两次的结果

表 2 国内外燃烧源颗粒物排放特征1) Table 2 Emission characteristics of particulate matter from combustion sources at home and abroad

杨柳等^[17]采用基于EPA Method 202^[12]原理自主构建的采样装置, 对达到超低排放的某燃煤电厂进行了监测, FPM和CPM排放浓度分别为2.12mg·m^-3和5.53mg·m^-3, CPM占TPM的比重为72.29%.该超低排放的燃煤电厂FPM排放浓度是本研究的2倍左右, 而CPM的排放浓度及其在TPM中的比重略低于本研究燃煤电厂.

Li等^[16]利用Dekati PM₁₀惯性撞击式分级切割采样器, 结合EPA Method 202^[12]原理的采样系统, 对某超低排放燃煤电厂分级采集FPM, 结果表明：FPM_2.5、FPM和CPM排放浓度分别为1.1、1.6和7.9mg·m^-3, FPM_2.5对FPM的贡献率约为70%, CPM占TPM的比重为83.16%.该燃煤电厂FPM排放浓度是本研究的1.5倍左右, 而CPM的排放浓度及其在TPM中的贡献比例与本研究结果相当.

Yang等^[15]利用EPA Method 201/201A与202结合的采样方法, 对某燃煤电厂颗粒物分级采样, FPM_2.5和CPM的排放浓度分别为0.75mg·m^-3和2.15mg·m^-3, CPM占TPM_2.5的比重为74.13%.

本研究表明, 满足超低排放要求的燃煤锅炉排气中FPM和CPM的排放浓度均显著降低, 但CPM对TPM的贡献比例显著增加.

Corio等^[28]利用EPA Method 201/201A与202结合的采样方法, 对2台带余热锅炉的燃气轮机组进行分级采样, CPM对TPM₁₀的贡献比例分别为88%和90%.文献[18]利用自建的固定源高湿废气中TPM采样系统对某燃气电厂颗粒物排放进行监测, FPM和CPM平均排放浓度分别为0.10mg·m^-3和2.71mg·m^-3, CPM占TPM的平均比例为97.0%.燃气电厂的有关研究结果与本研究结论基本一致.

(1) 燃煤电厂与燃煤供暖锅炉FPM排放水平相当, 实测排放浓度介于0.98~1.15mg·m^-3之间; 燃煤供暖锅炉CPM实测排放浓度为3.05mg·m^-3, 而燃煤电厂是燃煤供暖锅炉的2.2~2.4倍.燃气电厂因使用清洁燃料天然气, 其FPM和CPM排放水平均明显低于燃煤锅炉, 其实测排放浓度分别为0.12和1.85mg·m^-3, 且主要为水溶性离子.

(2) 燃煤电厂(两次监测)、燃煤供暖锅炉和燃气电厂烟气中总水溶性离子实测排放浓度分别为3.40、4.27、1.97和1.44mg·m^-3; 烟气中总水溶性离子在FPM和CPM中的分配比例分别为：15.2∶84.8、16.0∶84.0、33.9∶66.1和5.8∶94.2; 烟气中总水溶性离子对TPM的质量贡献分别为：41.3%、55.6%、46.9%和72.2%.

(3) 在超低排放锅炉烟气中CPM及水溶性离子是颗粒物的重要组成部分, CPM在TPM中的质量贡献显著, 燃煤锅炉为72.6%~88.1%, 燃气电厂为93.1%.排气烟温显著影响CPM及其水溶性离子的赋存形态、脱除效率与排放水平.

(4) SO₄^2-是燃煤锅炉烟气颗粒物中主要特征水溶性离子.燃煤电厂(两次监测)与燃煤供暖锅炉SO₄^2-平均排放质量浓度分别为1.10、1.18和0.98 mg·m^-3; 在CPM中的质量分布比例分别为64.3%、87.8%和74.0%; SO₄^2-占全部水溶性离子的质量分数分别为32.4%、27.7%和49.6%. F^-是燃煤电厂颗粒物中另一主要特征水溶性离子, 其两次平均排放浓度的结果分别为1.91mg·m^-3和2.32 mg·m^-3; 在CPM中所占的质量分数分别为87.0%和99.2%; 占全部水溶性离子的质量分数两次结果分别为56.1%和54.4%.

(5) 燃气电厂排气中NH₄⁺和SO₄^2-是主要的水溶性离子, 其平均排放浓度分别为0.92mg·m^-3和0.41 mg·m^-3; 在CPM中的质量分布比例分别为98.8%和91.4%; 占全部水溶性离子的质量分数分别为64.2%和28.4%.